案導(dǎo)式教學(xué)在定性結(jié)構(gòu)力學(xué)中的應(yīng)用探討

廖紹凱，沈曉梅，林廣平 （嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江嘉興314001）

教育部高等學(xué)校非力學(xué)專業(yè)力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會于 “十五”期間組織專家重新修訂了 “結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)基本要求”[1-2]，目的在于推動土木工程、水利工程等專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)改革和課程建設(shè)，不斷提高教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量，其中定性分析能力的培養(yǎng)在新修訂的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)基本要求中得到了強(qiáng)調(diào)和反映。在新修訂的基本要求中，將原來的計(jì)算能力分為計(jì)算能力和判斷能力2條，并對判斷能力作了如下表述：具有對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核、對內(nèi)力分布的合理性作出定性判斷的能力。首次將定性判斷的能力寫入教學(xué)基本要求，這是時(shí)代發(fā)展的要求，也是力學(xué)內(nèi)在性質(zhì)的要求[3]。

國內(nèi)已有眾多專家致力于定性結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)改革和研究，武漢理工大學(xué)的陳景濤在教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)踐，探討了定性結(jié)構(gòu)力學(xué)的內(nèi)容體系，包括概念設(shè)計(jì)、計(jì)算模型的建立和簡化、估算判斷和計(jì)算結(jié)果的定性分析，并通過工程案例說明定性結(jié)構(gòu)力學(xué)的重要意義[4-5]。蘭州理工大學(xué)的程選生運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本概念和方法，定性分析原有結(jié)構(gòu)的受力情況，建立簡化計(jì)算模型。2年的實(shí)踐證明，該工程模型簡單，分析思路正確，是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的改造處理方案，可供以后的工程項(xiàng)目改造設(shè)計(jì)借鑒[6]。淮海工學(xué)院的李青松結(jié)合工程實(shí)踐要求，指出定性分析在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，同時(shí)也提出了結(jié)構(gòu)力學(xué)定性分析能力訓(xùn)練的方法，引導(dǎo)學(xué)生建立學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的興趣，掌握正確的學(xué)習(xí)方法，提高教與學(xué)的效率[7]。他們的工作著重于結(jié)構(gòu)力學(xué)定性分析內(nèi)容體系的建立和一些工程實(shí)例如何通過定性分析來簡化和改造方案，而沒有涉及定性分析的課堂教學(xué)。

清華大學(xué)副校長袁駟討論了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程面向能力培養(yǎng)的課程內(nèi)容體系的設(shè)置和模塊劃分，并提出“一個基礎(chǔ)，兩座大廈”[8]的方案，介紹教學(xué)實(shí)踐的檢驗(yàn)結(jié)果。在申報(bào)國家級精品課程時(shí)，他們將 “結(jié)構(gòu)力學(xué)”課程的特色概括為如下3點(diǎn)[9]：①創(chuàng)新性。新體系、新內(nèi)容、新手段、新思路。該課程無論是內(nèi)容體系、編寫的教材、研制的軟件和建立的網(wǎng)絡(luò)課程等等，都有很高的科學(xué)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和理念創(chuàng)新的含量。②先進(jìn)性。既保留了原 “結(jié)構(gòu)力學(xué)”的學(xué)科體系，又有實(shí)質(zhì)性的改革和發(fā)展，順應(yīng)并符合了新世紀(jì)教學(xué)發(fā)展的規(guī)律，代表并引領(lǐng)了課程發(fā)展的趨勢和方向。③示范性。無論是課程體系、教材、軟件等，都在全國高校中有較大的影響，具有較廣泛的輻射性和示范性。

同濟(jì)大學(xué)朱慈勉教授提出了 “概念結(jié)構(gòu)力學(xué)”[10]，“概念結(jié)構(gòu)力學(xué)”說法與 “定性結(jié)構(gòu)力學(xué)”異曲同工，它進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了從定量邁向定性的重要性，其從3方面 （剛度、材料效用以及協(xié)同工作原理與運(yùn)用）對概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，認(rèn)為概念設(shè)計(jì)貫穿于整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)工程師的思維活動，而剛度理論、協(xié)同工作原理可謂其思想精髓，是創(chuàng)新的靈魂。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)綜合運(yùn)用這2個思想，探索新的結(jié)構(gòu)體型和構(gòu)件形式，提高設(shè)計(jì)水平，并充分考慮材料效用，節(jié)約材料，使結(jié)構(gòu)盡量安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀[11-13]。

總的來說，定性分析作為結(jié)構(gòu)力學(xué)中一個很重要的組成部分，力圖先對問題有一個整體上的把握，用腦子先對問題有一個感知的過程，認(rèn)清中間的本質(zhì)問題，然后著手解決，這樣的過程不僅用于解題中，對于要解決的實(shí)際工程問題也十分重要。遇到一個問題，如果一眼就能看出來問題的關(guān)鍵所在，這就需要很扎實(shí)的功底了。同時(shí)通過定性分析，對經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)是從另一個方面來進(jìn)行理解，這對于掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)十分有好處。下面，筆者在國內(nèi)外已有的 “定性結(jié)構(gòu)力學(xué)”的研究工作基礎(chǔ)上，通過案導(dǎo)式教學(xué)模式構(gòu)建定性結(jié)構(gòu)力學(xué)內(nèi)容體系，以使學(xué)生更深刻的了解掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)?嘉興學(xué)院教改項(xiàng)目 （85151039）；嘉興學(xué)院校級結(jié)構(gòu)力學(xué)精品課程。。

1 結(jié)構(gòu)力學(xué)內(nèi)容的拓展

1.1 概念結(jié)構(gòu)力學(xué)

尋找結(jié)構(gòu)力學(xué)的主線，做到深入淺出，從另一個側(cè)面來審視結(jié)構(gòu)力學(xué)，這些概念主要有：

1）對偶 力和變形總是成對出現(xiàn)的，在結(jié)構(gòu)力學(xué)中類似這樣成對出現(xiàn)的概念，例如：平衡與協(xié)調(diào)，靜力與幾何，用靜力法 （零載）解幾何構(gòu)造，用幾何圖解法、機(jī)動法解靜力平衡，位移法與力法的對偶等等。

2）約束 自由度與約束，必要約束，多余約束，約束與約束力，約束與剛度，約束與溫度，約束與自振頻率，約束與能量，約束與剛體位移，約束與靜力平衡。

3）平衡 桿件平衡 （代數(shù)方程）、微元體平衡 （微分方程）、子結(jié)構(gòu)平衡、動力平衡、剪力互等。

4）對稱 幾何對稱，荷載對稱，約束對稱，變形對稱，內(nèi)力對稱。

5）等效 靜力等效，位移等效 （位移法），剛度等效 （超靜定，子結(jié)構(gòu)），虛功等效 （能量法），等效結(jié)點(diǎn)荷載。

6）剛度 剛度與變形，剛度與內(nèi)力，剛度與溫度，剛度與能量，剛度與頻率，剛度為零，剛度為無窮大，強(qiáng)梁弱柱與強(qiáng)柱弱梁。

7）量級 剪切變形，軸向變形，抗拉剛度與抗彎剛度，小撓度、中等大撓度和完全大撓度，大撓度與大轉(zhuǎn)角，主應(yīng)力與次應(yīng)力。

以此讓學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)有方向感，能輕松的理解概念。

1.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)的定性分析

目前定性分析的素材較少，作者主要通過以下幾個方面實(shí)施：啟發(fā)學(xué)生的個性思維，鼓勵解題的新思路、新方法，指導(dǎo)學(xué)生作小課題，不斷豐富充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，充實(shí)素材；集思廣益，借鑒其他高校的定性的研究素材，以為學(xué)生所用；在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)工作中的積累，發(fā)現(xiàn)和提煉更多適用于定性分析的實(shí)例，以培養(yǎng)學(xué)生的分析能力。

1.3 趣味結(jié)構(gòu)力學(xué)

體現(xiàn)在4個方面：邏輯性，能引人入勝，使人樂此不疲；系統(tǒng)性，能舉一反三，時(shí)時(shí)溫故知新；多樣性，能靈活運(yùn)用，感到樂在其中；實(shí)踐性，易于觸類旁通，趣味層出不窮。

2 以導(dǎo)促學(xué)、教學(xué)相長

所謂以導(dǎo)促學(xué)，教學(xué)相長，是指以案導(dǎo)式的教學(xué)手段，即先導(dǎo)后學(xué)，學(xué)案導(dǎo)學(xué)，先學(xué)后教，訓(xùn)練前移的思想理念，在教師指導(dǎo)下的以學(xué)案為載體的 “先學(xué)”其目的和作用就在于讓學(xué)生在頭腦中將新舊知識聯(lián)系起來構(gòu)建定性化的知識體系，同時(shí)通過前置訓(xùn)練予以初步理解鞏固。在此基礎(chǔ)上的 “后教”環(huán)節(jié)，師生在課堂上共同探究，升華 “先學(xué)”，完善知識體系，實(shí)現(xiàn)理解和運(yùn)用，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)會學(xué)習(xí)，走向成功。案導(dǎo)式教學(xué)的基本流程如圖1所示。案導(dǎo)式課堂教學(xué)模式的基本結(jié)構(gòu)如下：①準(zhǔn)備定向，激學(xué)引欲。組織學(xué)生開展 “短、平、快”的學(xué)習(xí)熱身運(yùn)動，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)認(rèn)知矛盾，提出僅依靠已有的知識或方法無法解決的問題，盡可能使學(xué)生產(chǎn)生急于解決問題的沖動，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲望。②借助學(xué)案，自主學(xué)習(xí)。獨(dú)立自學(xué)教材，教師給予個別指導(dǎo)。在嘗試自學(xué)階段，給學(xué)生布置些結(jié)構(gòu)力學(xué)定性分析的小論文，同時(shí)教師不要隨便干預(yù)學(xué)生，要舍得“放”，放心地讓學(xué)生進(jìn)行解決問題的各種探索。③總結(jié)突破，探究規(guī)律。恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用機(jī)智，掌握好契機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用對比、歸納等方法總結(jié)出學(xué)習(xí)規(guī)律，灌輸定性的思維模式，以利于定量計(jì)算的順利展開。④分層練習(xí)，差異發(fā)展。設(shè)置由淺入深、由易到難的練習(xí)題組和題目，讓不同層次的學(xué)生都能 “各取所需”地選擇練習(xí)，既保證低層次學(xué)生達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)的要求，多體驗(yàn)一點(diǎn)成功的歡樂，少體驗(yàn)一點(diǎn)失敗的痛苦，又使高層次的學(xué)生學(xué)有創(chuàng)見，有用武之地。

圖1 案導(dǎo)式教學(xué)基本流程圖

3 充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源

學(xué)校校園網(wǎng)建設(shè)的迅速發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)提供了良好的環(huán)境，校園網(wǎng)絡(luò)互動機(jī)制良好，增進(jìn)了師生的及時(shí)溝通，增強(qiáng)了教與學(xué)的互動，提高了教學(xué)的質(zhì)量。在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)硬件的不斷完善的基礎(chǔ)上，最大限度的發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源對學(xué)生自主學(xué)習(xí)的促進(jìn)作用。

筆者通過建立和完善校園網(wǎng)絡(luò) “BB電子平臺”，在網(wǎng)絡(luò)平臺上發(fā)布教學(xué)大綱、教學(xué)日志，在平臺上布置作業(yè)、模擬試卷和答疑，討論和實(shí)行一系列教學(xué)管理工作，提供多媒體課件和教學(xué)錄像等，讓學(xué)生能夠不受時(shí)間和空間的限制，及時(shí)學(xué)習(xí)和掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識。

[1]龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]嚴(yán)躍成，申繼紅.結(jié)構(gòu)力學(xué)定性分析的研究與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2008，17（4）：79-81.

[4]陳景濤，任韋輝，管亞彬.“定性結(jié)構(gòu)力學(xué)”的內(nèi)容體系及其在工程中的應(yīng)用[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，21（4）：47-49.

[5]李保德，范小春.定性分析在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].理工高教研究，2007，26（1）：110-111.

[6]程選生，張貴文.“定性結(jié)構(gòu)力學(xué)”在土木工程改造項(xiàng)目中的應(yīng)用[J].理工高教研究，2007，26（1）：123-124.

[7]李青松.定性結(jié)構(gòu)力學(xué)在教學(xué)及工程實(shí)踐中的意義[J].理工高教研究，2007，26（1）：137-138.

[8]袁駟.一個基礎(chǔ)，兩座大廈—— 《結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程的改革思路與實(shí)踐[J].力學(xué)與實(shí)踐，1998，20（4）：56-58.

[9]袁駟.精品課是一種境界[J].中國大學(xué)教學(xué)，2004（7）：9.

[10]朱慈勉，尹小明.概念設(shè)計(jì)的意義和應(yīng)用分析[J].建筑技術(shù)，2005，36（8）：626-628.

[11]陳以一.世界建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精品選——日本篇[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[12]林同炎，SD思多臺斯伯利.結(jié)構(gòu)概念和體系[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1985.

[13]范夕森，趙玉星.《概念結(jié)構(gòu)力學(xué)》的探討[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，18（1）：96-98.